船舶應(yīng)急防碰撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究

譚恒濤，馬全黨，謝 娜，成思源，劉 念

（1.武漢理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，武漢430063；2.武漢理工大學(xué) 航運(yùn)學(xué)院，武漢430063；3.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢430063）

近年來石油化工業(yè)發(fā)展迅速，海上石化運(yùn)輸量激增，然而由于中大型液貨船應(yīng)急避碰能力差，導(dǎo)致船舶碰撞事故多發(fā)，尤其是2018年1月在東海海域發(fā)生的 “桑吉”輪事故，給航運(yùn)業(yè)的正常發(fā)展及海洋環(huán)境的治理防護(hù)帶來了嚴(yán)重的負(fù)面影響。

1 液貨船應(yīng)急防撞方法研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對液貨船的應(yīng)急防撞問題展開了大量研究，研究結(jié)果（見表1）雖然對避免或者降低船舶碰撞事故損害具有一定的成效，但都存在著明顯的功能片面性，在多變的水上環(huán)境中難以充分發(fā)揮實(shí)際作用[1]。

表1 船舶防碰撞方法及其對比Tab.1 Ship anti-collision methods and comparison

對近年來連續(xù)多起船舶碰撞事故[2]的分析發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有助航設(shè)備可靠性差[3]、船員疏忽及防護(hù)裝置效果不佳等問題使船舶碰撞具有一定的不可避免性。為此，結(jié)合液貨船的特性設(shè)計(jì)了一種船舶應(yīng)急防碰撞系統(tǒng)，可在船只交匯時預(yù)測危險(xiǎn)區(qū)并分級預(yù)警，在激烈碰撞前釋放防撞氣囊，以有效提高船舶的應(yīng)急能力，降低碰撞后船舶的破損程度。此外，采用非線性分析軟件LS-DYNA 對氣囊的防護(hù)效果進(jìn)行仿真分析，在船舶撞擊中實(shí)時監(jiān)控船舶受力。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的氣囊防護(hù)模塊具有顯著的防撞能力。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

船舶應(yīng)急防碰撞系統(tǒng)分為預(yù)警模塊和氣囊防撞模塊兩大部分。①預(yù)警模塊 通過激光測距子系統(tǒng)對障礙物或來船進(jìn)行掃描處理，其報(bào)警子系統(tǒng)根據(jù)船舶間距的大小起到分級預(yù)警的作用。②氣囊防撞模塊 采用多氣室結(jié)構(gòu)及模塊化處理的氣囊，具有較好的防護(hù)能力；選用的煙火式氣體發(fā)生器具有成本低、產(chǎn)氣快的優(yōu)點(diǎn)；其泄壓裝置可控制氣囊的排氣，避免因其內(nèi)部壓力過大而發(fā)生爆炸。船舶應(yīng)急防碰撞系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理Fig.1 System schematic

3 預(yù)警模塊

3.1 激光測距子系統(tǒng)

激光測距子系統(tǒng)通過二自由度云臺驅(qū)動激光測距傳感器，實(shí)現(xiàn)水平和垂直方位的動態(tài)掃描，實(shí)時監(jiān)測周圍船只或障礙物與本船的相對方位和間距，通過數(shù)據(jù)處理得出來船的相對速度、航向和船位等信息。

1）ZDM 激光傳感器 該傳感器由控制單元通過RS232 接口發(fā)送指令控制其測距及自檢，構(gòu)建獨(dú)立通信系統(tǒng)[5]。為保證測量的準(zhǔn)確性，采用船首布置1 個、船舷兩側(cè)分別布置3 個激光傳感器的方案。其工作原理框圖如圖2所示。

2）二自由度電動云臺 該云臺采用蝸輪、蝸桿及齒輪傳動結(jié)構(gòu)，配備有水平、豎直方向的高性能電機(jī)，通過單片機(jī)控制云臺帶動固定在云臺上的激光傳感器，可實(shí)現(xiàn)水平方向0～355°區(qū)域和垂直方向-90°～90°區(qū)域的立體測量[6]。

3）AT89C52 單片機(jī) 該單片機(jī)是一個低功耗、高性能CMOS 8 位單片機(jī)，RS232 接口直接與單片機(jī)串行口相連，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元。

圖2 ZDM 激光傳感器工作原理Fig.2 ZDM laser sensor working principle

3.2 數(shù)據(jù)處理

在此排除風(fēng)速、水流及船舶操縱性能的影響，在船舶會遇時，通過己船M（即搭載激光測距傳感器的船）測量目標(biāo)船J（即被監(jiān)測船）的相對航行參數(shù)，一般航行狀態(tài)下將船舶運(yùn)動看作是質(zhì)點(diǎn)的直線運(yùn)動[7]。M和J 兩船的相對航行參數(shù)如圖3所示。

圖3 相對航行參數(shù)Fig.3 Relative navigation parameter

在圖3所示的坐標(biāo)系中，設(shè)M 船在t1，t2時刻的位置分別為（xm1，ym1）和（xm2，ym2）；航向?yàn)镕m；分速度分別為um，x，um，y。激光測距子系統(tǒng)測得J 船在t1，t2時刻的相對位置分別為rjm1，rjm2；相對方位角分別為hjm1，hjm2，由圖3 的幾何關(guān)系可得J 船在Δt=t2-t1時間間隔內(nèi)的相對位移Δrjm為

相對速度ujm與直線M′J′的夾角為

于是得到目標(biāo)船J 對己船M 的相對速度，即

因此己船M 在t1，t2時刻相繼測得目標(biāo)船J 的位置分別為

如徑向距離rjm1與大地坐標(biāo)x 軸的夾角為T，則目標(biāo)船J 的真實(shí)速度為

若hjm1＜0，即J 船在M 船的左舷，方程中ujm為正，否則為負(fù)。

J 船的航向?yàn)?/p>

在此，式（1）—式（8）中所有角度的符號規(guī)定為：順時針旋轉(zhuǎn)的角度為正，反之則為負(fù)。

3.3 分級報(bào)警子系統(tǒng)

分級報(bào)警子系統(tǒng)有一級報(bào)警避碰單元和二級報(bào)警釋放單元，包括報(bào)警燈、蜂鳴器與人機(jī)界面等。其工作原理如圖4所示。

系統(tǒng)利用采集的來船信息計(jì)算出最近會遇距離。當(dāng)最近會遇距離DCPA（distance to closest point of approach）小于最小安全會遇距離[8]DSPA（the minimum Distance of the Safe Point of Approach）時，觸發(fā)一級報(bào)警避碰單元，蜂鳴器發(fā)出警報(bào)，報(bào)警燈發(fā)出黃色信號，同時聯(lián)合語音系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)提示，以提醒駕駛員調(diào)整航線。

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到船舶間距D（distance）達(dá)到氣囊最小釋放距離MinD （airbag Minimum release Distance），二級報(bào)警釋放單元啟動，蜂鳴器及語音播報(bào)啟動，報(bào)警燈發(fā)出紅色信號，駕駛員可通過消聲按鈕解除聲音警報(bào)，此時人機(jī)界面詢問是否釋放氣囊，一旦氣囊釋放，報(bào)警燈熄滅。

圖4 報(bào)警系統(tǒng)工作原理Fig.4 Alarm system working principle

3.3.1 DCPA 及DSPA 模型建立

假設(shè)，所有相遇船只都沿直線航行，這時目標(biāo)船J 與己船M 的DCPA 為

其中

船舶可根據(jù)測量數(shù)據(jù)提前預(yù)測是否存在著碰撞危險(xiǎn)。在確定DSPA 時，需考慮目標(biāo)船的相對運(yùn)動狀況及船舶自身因素，因此采用最小最近會遇時間MinTCPA（time to closest point of approach）決策模型[9]，該模型更加符合實(shí)際情況。

式中：bcpa為船舶會遇時船舶領(lǐng)域模型的橢圓短半軸；fs，d為船舶領(lǐng)域系數(shù)；fvis為能見度系數(shù)；flea為船長換算系數(shù)；fs，r為船速比系數(shù)；fr為目標(biāo)船距離換算系數(shù)；fb為本船的讓路責(zé)任系數(shù)。

3.3.2 MinD 模型建立

經(jīng)查閱文獻(xiàn)并咨詢業(yè)內(nèi)人士，船舶駕駛員面臨判斷時的反應(yīng)時間平均為2～3 s，還需要為駕駛員設(shè)置不超過5 s 的觀察時間，此處總反應(yīng)時間取8 s；為保證氣囊充氣成型并發(fā)揮作用，需要考慮氣囊充氣成型所需的時間[10]，仿真計(jì)算結(jié)果氣囊可以在1 s內(nèi)充氣成型；同時氣囊完全充氣成型的直徑約為6 m，為保證氣囊的防撞效果需要將此段距離計(jì)入所求距離中；此外為提高準(zhǔn)確性，引入松弛時間來消除系統(tǒng)誤差，將此時間設(shè)置為2 s。

兩船在即將發(fā)生碰撞的過程中，大多數(shù)處于勻速或加速度較小的減速狀態(tài)，因此可將船舶的運(yùn)動簡化為勻速運(yùn)動進(jìn)行計(jì)算。該簡化使MinD 值偏大進(jìn)而使方案更安全：

式中：Dmin為氣囊最小釋放距離；α 為兩船航向的夾角；t1為反應(yīng)時間；t2為氣囊充氣成型的時間；t3為松弛時間：d 為氣囊成型后在水平方向遠(yuǎn)離船體的最大距離值。

4 氣囊防撞模塊

該系統(tǒng)在液貨船船首及船舷處均布置防撞氣囊[12]，可選擇性地釋放碰撞將發(fā)生位置的氣囊。激光測距子系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測兩船間距，通過遞推算法[11]對兩船間距進(jìn)行預(yù)測，若判斷兩船間距到達(dá)閾值，立即釋放應(yīng)急防撞氣囊。其工作流程如圖5所示。

圖5 氣囊工作流程Fig.5 Airbag work flow chart

防撞氣囊內(nèi)部為類蜂窩式結(jié)構(gòu)，每個氣室單獨(dú)充氣，有利于加快氣囊的成型速度[12]，并提高其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。同時，還對應(yīng)急防撞氣囊進(jìn)行模塊化處理以適配不同規(guī)模的船舶，將整船所需的長氣囊平均分成若干數(shù)量的分段氣囊，每個單元通過高強(qiáng)度固定繩索緊密連接構(gòu)成一個整體。

氣囊采用雙層織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，承力層選用成本低、強(qiáng)度高、耐化學(xué)性好的聚酯纖維；由于氣囊氣密層材料必須具有較好的抗撓裂性和抗磨損性[13]，在高溫下可保持材料強(qiáng)度，故選擇帶有硅酮涂層的Vectran HS 纖維作為氣密層材料。此外，氣囊的外部涂層采用聚四氟乙烯，具有較好的防腐和耐熱性能。

針對船舶碰撞事故中“交叉碰撞”發(fā)生概率較高[14]這一特點(diǎn)，該系統(tǒng)選擇在船首及船舷處安裝防撞氣囊。其中，船首外板中上部布置2 個環(huán)船首的“U”型氣囊，船舷兩側(cè)各布置1 個橫向圓柱型氣囊。

該系統(tǒng)選用煙火式氣體發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。電子點(diǎn)火器接收到點(diǎn)火信號后立即點(diǎn)燃產(chǎn)氣藥劑，可放出大量氣體將氣囊彈出。氣體發(fā)生器設(shè)計(jì)主要包括外殼體（含排氣孔）、過濾系統(tǒng)、點(diǎn)火裝置和產(chǎn)氣藥劑設(shè)計(jì)。

圖6 氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)Fig.6 Gas generator structure

系統(tǒng)選用強(qiáng)度較高、質(zhì)量較大的材料制作外殼體，排氣孔大小不一。當(dāng)產(chǎn)氣藥劑開始燃燒、氣體發(fā)生器內(nèi)部壓力上升時，先后沖破大直徑孔膜與小直徑孔膜，從而保證藥劑穩(wěn)定燃燒。傳火藥立足于選取污染小的綠色藥劑，傳火藥選擇點(diǎn)火感度、點(diǎn)火能力和環(huán)保性俱佳的B/KNO3；產(chǎn)氣藥劑由Sr（NO3）2和NH4NO3（氧化劑）、CH4N4O3（可燃劑）、聚乙烯醇（黏合劑）、MnO2（催化劑）組成。為使生成的氣體向零污染方向發(fā)展，以零氧平衡進(jìn)行計(jì)算得出藥劑質(zhì)量配比[15]為m［Sr（NO3）2］∶m［NH4NO3］∶m［CH4N4O3］=25∶26∶49（由于催化劑和黏合劑的含氧量很少，故計(jì)算時忽略）。

為減小氣囊受到的沖擊，防止其因壓力過大發(fā)生爆炸，在此設(shè)計(jì)了一種主動泄壓裝置。該裝置包括軟排氣口和限壓組件。軟排氣口與囊體無縫銜接，在氣囊內(nèi)部壓力未達(dá)到臨界壓力值時保持閉合狀態(tài)，壓力超過臨界壓力值時，軟排氣口打開可形成氣流通道，開口面積與壓力成正相關(guān)。

同時，為避免產(chǎn)氣時氣囊內(nèi)部壓力瞬間超過軟排氣口打開的臨界壓力值，還設(shè)計(jì)了一種在氣囊內(nèi)部壓力未達(dá)到預(yù)設(shè)壓力值時可一直保持密封狀態(tài)的限壓組件。當(dāng)氣壓達(dá)到預(yù)設(shè)值時，電磁鎖迅速解鎖從而控制氣囊開始排氣（軟排氣口打開的臨界壓力值＜預(yù)設(shè)壓力值＜?xì)饽冶茐毫χ担＞唧w結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 泄壓裝置結(jié)構(gòu)Fig.7 Structure of the pressure relief device

5 防護(hù)效果的仿真試驗(yàn)

防護(hù)效果的仿真試驗(yàn)主要研究氣囊完全展開后在船舶碰撞過程中的緩沖特性，故在此基于非線性分析軟件LS-DYNA 利用控制體積法，對氣囊的防撞效果進(jìn)行建模及仿真。

5.1 碰撞形式

在其他條件均相同的情況下，船首垂直碰撞船舷與其他碰撞形式相比具有更大的破壞力，故在此以撞擊船船首與被撞船船舷垂直碰撞的形式為例，如圖8所示。

圖8 船舶碰撞形式示意圖Fig.8 Schematic diagram of ship collision form

5.2 氣囊模型

在此以舷側(cè)氣囊為例，其橫向總尺寸為21000 mm，分為14 個長1500 mm 的氣囊單元，各單元相互獨(dú)立，并通過VectranHS 纖維固定繩索連接構(gòu)成一個整體。為方便建模和計(jì)算，對氣囊做以下假設(shè)：①氣囊在壓縮過程中不產(chǎn)生變形；②氣囊的緩沖作用由囊內(nèi)氣體的壓力損失來提供，不考慮氣動阻力；③緩沖過程空氣流動視為不可壓縮流，為絕熱過程；④各氣囊單元之間、氣囊與撞擊船船體之間均為面面接觸。

5.3 船舶模型

文中選用68500 t 級的巴拿馬型油輪作為被撞船，30000 t 級的散貨船作為撞擊船。

由于船舶結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，且所關(guān)注的是船舶在有、無氣囊防護(hù)時受到的最大沖擊力，重點(diǎn)在于船體與氣囊之間的相互作用，故可將仿真撞擊船與被撞船簡化為低合金高強(qiáng)度鋼構(gòu)成的殼體。在有限元計(jì)算中，兩殼體具有撞擊船和被撞船的外形，賦予它們船舶的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量，并定義了它們的重心位置。船體材料及仿真被撞船的基本參數(shù)見表2和表3。

表2 船體材料力學(xué)性能Tab.2 Basic parameters of hull materials

表3 試驗(yàn)船型基本參數(shù)Tab.3 Basic parameters of the experimental ship type

5.4 仿真結(jié)果分析

文中控制其它試驗(yàn)條件均相同，對選取的散貨船以4 m/s 速度撞擊油輪的過程進(jìn)行對比分析，分析油輪在有、無防撞氣囊防護(hù)時船體的受力及破損情況。圖9和圖10 分別為油輪無防護(hù)措施和安裝防撞氣囊情況下，應(yīng)力最大時刻的應(yīng)力云圖（單位取GPa）。由圖可見，油輪舷側(cè)在安裝防撞氣囊后，受到的沖擊力大大減小且受力分布更為均勻。

圖9 未加防護(hù)措施船體受力示意圖Fig.9 Schematic diagram of the hull stress without protection

船體受力隨時間的變化如圖11所示。在船舶無防護(hù)措施時受到的最大撞擊力為251 MN，安裝防撞氣囊后最大撞擊力降低到了102 MN。通過對比可知，防撞氣囊在兩船碰撞過程中吸收了大量能量，有效降低了油輪受到的撞擊力，并使整個過程的撞擊力變化更為平穩(wěn)。

為得出防撞氣囊正常工作及有效緩沖的臨界速度，選取不同的撞擊速度vt進(jìn)行仿真計(jì)算。即保持初始設(shè)計(jì)參數(shù)不變，分別取vt為1，2，3，4，5，6，7 m/s，分析撞擊船的速度對被撞船的影響。同時，對比被撞船在有、無氣囊防護(hù)情況下的破壞程度，以分析防撞氣囊的防護(hù)效果。考慮到船舶垂直撞擊時對船舶造成的損害較大，設(shè)計(jì)散貨船船首分別以不同速度垂直撞擊靜止的油輪船舷側(cè)。

圖10 加防撞氣囊船體受力示意圖Fig.10 Schematic diagram of the force of the anticollision airbag hull

圖11 撞擊力變化歷程對比Fig.11 Comparison of the change of impact force

計(jì)算結(jié)果（見表4）表明，在未加防撞氣囊的情況下，油輪舷側(cè)在散貨船以3 m/s 的速度撞擊時已達(dá)到輕微破損程度，即外船殼出現(xiàn)破損而內(nèi)船殼完好；當(dāng)散貨船以4 m/s 的速度撞擊時，油輪舷側(cè)出現(xiàn)嚴(yán)重破壞，內(nèi)外船殼均破損，存在漏油的可能。

表4 不同速度撞擊下船體破損情況Tab.4 Hull damage under different speed impacts

安裝防撞氣囊后，油輪舷側(cè)可承受散貨船5 m/s撞擊的沖擊力，外船殼輕微破損而內(nèi)船殼完好，同時將散貨船撞擊油輪舷側(cè)而導(dǎo)致其出現(xiàn)泄露可能的速度提高到了6 m/s。

6 結(jié)語

首次針對液貨船提出被動防撞聯(lián)合主動防撞的理念，在船首及船舷處布設(shè)防撞氣囊，在兩船即將發(fā)生碰撞時釋放，以降低船舶碰撞的損失風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)采用激光測距與氣囊防撞聯(lián)合使用的方案，可有效規(guī)避碰撞并大大提高氣囊釋放精度。多氣室結(jié)構(gòu)防撞氣囊通過合理選材并進(jìn)行模塊化處理，同時配備有高精度控制的泄壓裝置，可有效吸收船舶碰撞中的巨大能量。對系統(tǒng)的研究緊跟工程實(shí)踐需要，可有效提升液貨船的安全性能，也切合MARPOL 公約保護(hù)海洋環(huán)境的主題。LS-DYNA 仿真分析表明，系統(tǒng)對船舶碰撞具有較強(qiáng)的防護(hù)能力，具有很好的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景，有利于消除“桑吉”輪等船舶碰撞事故帶給民眾的心理陰影，對于促進(jìn)“一帶一路”和“交通強(qiáng)國”等國家戰(zhàn)略的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。